CN109786799B - 一种锌镍液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锌镍双液流电池，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆、装有电解液的电解液储罐、循环管路、泵；电解液储罐中的电解液通过循环管路经泵流经正极，从正极流出后通过循环管路流入负极，最后从负极通过循环管路流回电解液储罐中；其中正极是以碳毡作为基体、于靠近集流体一侧涂敷有正极活性物质，正极活性物质组成为氢氧化镍；负极为柔性电极，该电池具有结构简单、能量密度高、功率密度高、加工及制造工艺简单的优点。

Description

一种锌镍液流电池
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种锌镍液流电池。
技术背景
锌镍液流电池是一种新型的低成本、高效率、环境友好型的液流电池，具有能量密度和电流效率高、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。
传统锌镍单液流电池的缺点：1、正极为烧结式氧化镍电极,负极为镍箔上的沉积锌电极,电解液为ZnO+LiOH+KOH的碱性水溶液，且正负极之间没有隔膜。由于该电池无隔膜，导致该电池无法实现多节串联，在同一种、无物理阻隔且导通的流动电解液中，各节电池之间只能以并联的方式连接2、因为传统的锌镍单液流电池正极材料导电性差，电流无法从电极厚度方向导通，导致其不能使用全钒、锌溴等双液流电池结构运行，使得电池无法实现多节串联。3、传统锌镍单液流电池由于受限于负极材料(析氢过电位低、且不溶于碱的金属)，负极发生副反应的几率大大增加(析出氢气)，电池在长时间静置时，负极生成的锌单质会再次溶解到电解液中，使得电池再开启时，负极由于没有析氢过电位较高的锌金属而发生析氢副反应，使用时氢气的生成增加了电池的危险性。4、受限于电池整体结构，传统锌镍单液流电池正极容量过低，导致电池容量受限。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，本发明通过正负极材料和电池结构的设计，达到提高电池容量、减小析氢副反应，电池在单节基础上可以实现多节串联，提高了电池寿命以及安全性和可靠性。
为实现上述目的，本发明具体采用的技术方案如下：
一种锌镍液流电池，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆、装有电解液的电解液储罐、循环管路、泵；单电池包括依次叠合的正极端板、正极集流体、电极框、正极、电池隔膜、电极框、负极、负极集流体、负极端板；电解液储罐中的电解液通过循环管路经泵流经正极(正极所在区域)，从正极(正极所在区域)流出后通过循环管路流入负极(负极所在区域)，最后从负极(负极所在区域)通过循环管路流回电解液储罐中；其中正极是以碳毡作为基体、于靠近集流体一侧涂敷有正极活性物质，涂敷量0.5g/cm2～1g/cm2，正极活性物质组成为氢氧化镍；负极为柔性电极，电解液为含可溶性锌盐的碱性水溶液。负极柔性电极为碳毡。
正负极电解液中碱为Ba(OH)2、NaOH、KOH、LiOH中的一种或两种以上，
优选KOH,可溶性锌盐中锌离子浓度为0.4mol/L～0.5mol/L，碱性水溶液浓度为8mol/L～10mol/L。
电解液为氧化锌溶解在碱性水溶液中形成的含可溶性锌盐的碱性水溶液，正、负极被封闭于电极框内，电极框厚度2.5-4mm；
碳毡正极被封闭在由PVC材料所制作的电极框内，电极厚度4-5mm。电池隔膜为离子传导膜。
充电时，电解液经泵从储液罐输送至正极，正极上的活性物质氢氧化镍被氧化成羟基氧化镍或氧化镍；电解液中锌离子直接以锌单质形式沉积在负极。放电时，正极上的三价镍化合物被还原为二价氧化物或氢氧化物；锌单质氧化为锌离子通过循环管路回到储液罐中。
本发明的有益效果如下：
1本发明正极采用在碳毡基底上涂覆氢氧化镍的结构，活性物质量可以自由掌控，使得电池正极容量相比于传统锌镍单液流电池正极大幅提高，导致电池容量大幅提高。
2负极为柔性电极替代传统的泡沫镍，锌镍液流电池负极采用封闭在电极框的密闭空间内，当电池停止运行时，负极内部只有少量电解液残留，这样大大减少沉积在负极的锌单质的溶解量，保证电池再次开启时，负极仍有锌单质，阻止负极发生析氢副反应，提高了电池寿命和安全性高。
3正负极之间添加膜，起到物理隔绝的作用，避免锌枝晶带来的电池短路，同时极间距大大降低，提高电池整体性能。
4本发明锌镍液流电池相对于传统锌镍单液流电池单电堆内部无法进行单电池串联的问题，通过在正负极之间加离子传导膜，构筑电解液先流经正极再流经负极的循环模式，在使用一个泵的基础上，让电解液在正负都可以流动，使得电池可以在单节基础上实现多节串联，每节之间正负极电解液分别流动而不互混，阻止漏电以及短路情况发生，提高单电堆的输出电压，提高电池能量密度以及功率密度，使用一个泵来循环电解液，这样大大降低电池成本，简化电池结构。
5正负极使用同一种电解液，解决了传统双液流电池正负极电解液不能互混的问题，提高了电池循环稳定性。
附图说明
图1为传统的锌镍液流电池结构示意图；
图2为本分明的锌镍双液流电池结构示意图，其中1正负极端板；2、正、负极极集流体；3、正、负极电极框以及内部的正、负极；4、离子传导膜；5、电解液储液罐；6、泵。
图3为传统锌镍单液流电池在40mA/cm2下运行电池性能运行效率。
图4为实施例1组装的锌镍双液流电池在40mA/cm2下运行电池性能。
具体实施方式
实施例1
锌镍双液流电池正负极有效面积6*6cm；正极集流体材质为石墨，正极为碳毡基体和靠近集流体一侧涂敷有氢氧化镍，涂敷量为0.8g/cm2，正、负极厚度5mm，负极为沉积型碳毡电极，将正、负极封闭在厚度为4mm电极框内；电解液储罐中的电解液经泵流经正极，从正极流出后继续流经负极，最后从负极流回储液罐中。电解液为含有浓度为0.4mol/L的锌离子的KOH水溶液，碱浓度为8mol/L.
对比例1：传统的锌镍单液流电池
如图3和图4所示，在电流密度为锌镍单液流电池在40mA/cm2的条件下，对比传统锌镍单液流电池性能(能量效率78％左右)，本发明所制作的电池性能(能量效率83％)有明显提高。本发明中，正负极及之间采用加装电池隔膜的方法，相比于传统结构大大缩短了极间距，导致能量效率升高。从电池的循环稳定性来看，本发明所制得的电池，相比于传统锌镍液流电池(库伦效率稳定性略有波动)，库伦效率没有衰减，这也证明了电池在经历过初期的活化之后，并没有析氢副反应发生。
对比例2
电池结构同实施例1，正极活性物质涂敷于靠近膜一侧的基体表面，涂敷量为0.8g/cm2，电解液为含有浓度为0.4mol/L的锌离子的KOH水溶液，碱浓度为7mol/L。
将正极活性物质涂敷于靠近集流体一侧可以使正极在电解液中得到充分浸润，在活性物质和电池膜之间有电解液填充，可以保证正极活性物质充分反应。相比把活性物质涂覆在靠近膜一侧所制作的电极，本发明提高了正极活性物质的利用率，且使得正极更容易活化。在电池充电过程中，正极需要消耗氢氧根离子，由于电解液先流经正极再流至负极，在正极参加反应的电解液碱浓度降低，为保证流入负极的电解液中锌离子不析出，需提高碱浓度至8mol/L以上来防止氧化锌析出，保证负极电解液流道不被堵塞。使用该方法，可以控制正极活性物质的量，通过增加正极活性物质的量来提高电池的容量，相比于传统锌镍液流电池，本发明制作的电池容量提高4倍左右。

Claims (3)

1.一种锌镍液流电池，其特征在于，该电池包括一节单电池或两节以上单电池串联而成的电堆、装有电解液的电解液储罐、循环管路、泵；单电池包括依次叠合的正极端板、正极集流体、电极框、正极、电池隔膜、负极、电极框、负极集流体、负极端板；电解液储罐中的电解液通过循环管路经泵流经正极，从正极流出后通过循环管路流入负极，最后从负极通过循环管路流回电解液储罐中；其中正极是以碳毡作为基体、于靠近集流体一侧涂敷有正极活性物质，涂敷量0.5g/cm2~1g/cm2，正极活性物质组成为氢氧化镍；负极为柔性电极，电解液为含可溶性锌盐的碱性水溶液；
负极柔性电极为碳毡；正负极均被封闭于电极框内，电极框厚度2.5-4mm；电极厚度4-5mm。
2.根据权利要求1所述的锌镍液流电池，其特征在于：电解液为氧化锌溶解在碱性水溶液中形成的含可溶性锌盐的碱性水溶液，其中碱为Ba(OH)2、NaOH、KOH、LiOH中的一种或两种以上，可溶性锌盐中锌离子浓度为0.4mol/L~0.5mol/L，碱性水溶液浓度为8mol/L~10mol/L。
3.根据权利要求1所述的锌镍液流电池，其特征在于，电池隔膜为离子传导膜。
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